量水堰排污实践探究-------排污工具巧制造

商炳华

摘要：量水堰中淤泥的堆积速度很快，又没有合适的清理工具，所以一直以来工作人员只能用水瓢一瓢瓢舀水进行清淤，这种方法有很多不便之处，清淤过程中需要时刻注意谨慎躲避，从而增加了清淤工作时的操作难度和耗费时间，所以为了解决这一问题特制造了这一排污工具。

关键词：量水堰；排污；数据观测

1. 量水堰系统

水库建成后,由于水位地基条件的改变,对大坝、基岩、坝肩、岸坡及地下建筑物的工作状态都会产生很大影响。特别是大坝蓄水后,对大坝产生了水压荷载,并在上下游水位差的作用下,对坝体、坝基和绕坝产生渗流。因此,按照有关规范的要求,需对通过坝体、坝基和两岸绕坝渗流的渗漏水流量进行观测计量。绕坝渗流一般通过布置在绕流线或沿着渗流较集中的透水层中的测压孔来观测其水位变化。

量水堰系统是监测经坝体、坝基的渗透流量的水进行观测计量的仪器设备。量水堰是垂直水流方向布置、顶部溢流、用以量测渠道或小溪流量的建筑物。灌溉渠道上常用薄壁堰量水，堰板用金属或木板制成，堰板的缺口有矩形、直角三角形或梯形。通过量测堰顶的溢流水头计算出渠道的流量。由于堰板壅水的影响，堰前会有泥沙淤积，影响量水精度，只适用于比降较大的清水渠道。

量水堰系统适用于测量渗漏量为1~300L/s 的范围内的水量,一般设置在集

水沟的直线段上(堰槽段),集水沟上下游沟底及边坡需加护砌以免漏水,可建造

专门的混凝土或砌石引水槽。设计堰下水深低于堰口,造成堰口自由溢流。为了

获得准确的观测成果,堰板需与引水槽和来水方向垂直,并且直立。堰板采用不

锈钢板制成,表面应平整光滑,将堰口靠下游边缘制成 45°角。量水堰的水尺应设在堰口上游。

二、实施背景

大坝渗流量是反映渗流场状态的一大基本要素，是反映渗流安全问题最直观、灵敏和综合的因素，对大坝渗流量的观测可以及时掌握水工建筑物及其地基的渗流情况，分析判断大坝是否正常和可能发生不利影响的程度及原因，为工程养护修理和安全运用提供依据和参考资料。

根据《混凝土坝安全监测技术规范》（DL.T5178-2016）中的规定，白山大坝渗流量在1～300L/S范围内，故采用在集水沟设置量水堰的方法测量渗流量。然而，由于渗水中掺杂的泥沙，外加大坝廊道内的各种粉尘、杂质和碎屑的不断堆积，致使量水堰内经常会填满厚厚的淤泥，既破坏廊道内环境卫生，更重要的是淤泥可能会堵塞自动化检测设备，影响数据观测的准确性。

三、传统清淤方法的弊端

因为量水堰中淤泥的堆积速度很快，又没有合适的清理工具，所以一直以来工作人员只能用水瓢一瓢瓢舀水进行清淤，这种方法有很多不便之处，首先是工作效率低下，水瓢每次舀出的泥水量很少，需要清理的量水堰面积又很大，导致每次至少花费几个小时才能完成清淤；其次是操作难度大，量水堰上方是自动化检测设备和人工测量仪器，它们若受到外力磕碰则会严重影响观测数据的精确性，所以清淤过程中需要时刻注意谨慎躲避，从而增加了工人清淤工作的操作难度和耗费时间。

四、清淤新方法、新工具

1 工器具组成

该装置由三个部分组成:头部漏斗形集水口，中部排水管和尾部空心球阀。其精简结构如图：

2 使用方法

使用前，只需先用细木棍将量水堰中淤泥搅起，使其与水充分混合。然后捏住球阀把阀内空气排尽，将球阀放置在量水堰下游侧集水沟处，且球阀所处的位置一定要低于量水堰底部，保证球阀出水口处低于集水管进水口处，再将集水口放入量水堰中的泥水液面之下，松开球阀，此时泥水会不断从集水口处进入排水管，逐渐充满排水管和球阀，这样便形成了一个虹吸排水装置，随后泥水就能源源不断地从量水堰中通过排水管排到集水沟中。

3 装置的原理

此装置主要利用了大气压强和液体压强的原理。捏住球阀排尽空气并将集水口放入量水堰泥水中后再松手，使得集水口和球阀尾部出水口承受不同的大气压力，水会从压力大的一边流向向压力小的 一边，导致水流入排水管。

当手捏紧球阀时：

此时球阀出水口处压强为

即捏紧球阀，出水口压强大小为 ，当松手后，压强瞬间减少至 ,随即虹吸现象产生。

装置头部选用漏斗形集水口可以改变水流形态，使水平缓顺滑地流进排水管。当排水管充满水后，形成了一个虹吸排水装置，此时液态分子间内聚力和位能差形成水柱压力差，水一直向压力小的一边流动。在发生虹吸现象时，由于管内向外流的液体比流入管子内的液体多，两边的重力不平衡，所以液体就会沿着一个方向持续流动。因此理论上这个装置可以将量水堰中泥水排净，但实际工作中只需要将泥水排出一定量后即可把漏斗形集水口从泥水中取出，中断排水。

五、装置的试验与改进

1 排水管材质的选择

首先排除了采用金属管，因为大坝廊道内需要清淤的量水堰数量较多，它们所处的位置条件不同，清淤装置的架设地点也就不同。金属管不能随意改变形状，不够灵活，并且携带不便，而排水管又要求有足够的强度，不至于在弯折和受压时堵塞，所以我们采用HDPE(高密度聚乙烯)材质的水管。与金属管比起来，HDPE同样有一定强度、刚度、柔韧度，还具有卓越的耐腐蚀性、耐磨性等，而且连接方便可靠，使用寿命长，经济优势比较明显。

2 排水管直径的选择

起初我们所使用的排水管直径过细，以致产生的吸力不够，排水速度非常缓慢，有时甚至会有大颗粒泥沙堵住水管。即便如此，管径也不能过粗，因为过粗的排水管产生虹吸所需的压力也很大，这就需要更大的球阀来提供足够的压力，与之匹配的水管长度也要相应延长来满足进水口和出水口间的高差，这对于清除量水堰的淤泥来说实属大材小用，造成了装置器材投入上的资源浪费。

为了较精确地确定合适的管径大小，利用淹没出流计算公式:

可得

由于排水管材质等因素已确定，所以式中的流量系数、沿程阻力系数、局部水头损失、管长和上下游水位差等参量均可直接测定或在规范中查得，通过试算法求得相应流量下的管径，计算表见表1，然后将计算结果和虹吸管推荐使用管径规格表（表2）进行对比，确定了排水管直径为4cm最为合适。

H/m	d/mm
	100	200	300	400	500	600	700	800	900	1000
0.5	0.007	0.038	0.100	0.197	0.326	0.488	0.686	0.918	1.787	1.479
1.0	0.009	0.053	0.141	0.297	0.460	0.691	0.970	1.299	1.666	2.092
1.5	0.012	0.066	0.173	0.342	0.564	0.846	1.189	1.591	2.041	2.562
2.0	0.013	0.076	0.200	0.395	0.651	0.977	1.373	1.837	2.357	2.959
2.5	0.015	0.085	0.224	0.441	0.728	1.092	1.535	2.053	2.635	3.307
3.0	0.016	0.093	0.245	0.483	0.798	1.196	1.681	2.250	2.868	3.623

表1 排水管Q―d―H计算表

表2

3 球阀大小的选择

同排水管粗细的选择一样，球阀也需要有合适的大小。球阀太小，无法提供足够的压力，泥水进入排水管后会产生气泡，气泡使液体断开，气泡两端气体分子之间的作用力减至0,破坏了虹吸作用。若球阀太大，挤压使其内部空气排尽后松开时球阀无法恢复原状，导致出水口变窄，泥水排出受阻，而且球阀过大也与装置不协调，影响美观。经过工作人员反复测试和实验，最终得出球径7cm大小的球阀和4cm管径的排水管相匹配，排水效果最佳。

六、总结

相比于传统的用水瓢清淤，使用此装置清淤的方法轻便快捷，无需人工费力，省时又高效，最重要的是避免了清淤过程中对测量设备仪器的接触碰撞，进而保障了后续测量工作的正常进行和测量数据的精确性，得到了部门领导和工作人员的高度认可和一致好评。

参考文献：《混凝土坝安全监测技术规范》